(57)【要約】【課題】検査対象物の外形に沿って変形可能な、アレイ圧電振動素子を用いた超音波プローブ素子を提供する。【解決手段】本発明の超音波プローブ素子１は、超音波を発振する高分子圧電材料からなる第１のフィルム１５と、第１のフィルム１５に共振する第２のフィルム１９と、第１のフィルム１５にアレイ状に配置され、超音波を発振させ、検査対象物２から反射された超音波を受信するための複数のシグナル電極１３と、第１のフィルム１５と第２のフィルム１９に挟まれたグランド電極１６，１８と、これらを搭載し、弾性的に屈曲可能な基板１１とを備え、各シグナル電極１３で画成された領域の第１のフィルム１５、第２のフィルム１９、グランド電極１６，１８及び当該シグナル電極１３により圧電振動素子１２が構成され、基板１１に圧電振動素子１２がアレイ状に搭載されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧印加により超音波を発振する高分子圧電材料からなる第１のフィルムと；
前記第１のフィルムに共振する第２のフィルムと；
前記第１のフィルムにアレイ状に配置され、前記第１のフィルムに電圧を印加して超音波を発振させ、検査対象物から反射された超音波を受信するための複数のシグナル電極と；
前記第１のフィルムと前記第２のフィルムに挟まれたグランド電極と；
前記第１のフィルム、前記第２のフィルム、前記複数のシグナル電極及び前記グランド電極を搭載し、外力により弾性的に屈曲可能な基板とを備え；
前記シグナル電極毎に、当該シグナル電極で画成された領域の第１のフィルム、第２のフィルム、グランド電極及び当該シグナル電極を含んで圧電振動素子が構成され、前記基板に前記圧電振動素子がアレイ状に搭載された；
超音波プローブ素子。
【請求項２】
各前記圧電振動素子は第１のフィルム、第２のフィルム及びグランド電極を含む圧電共振体を有し、前記圧電共振体の共振周波数が１〜５０ＭＨｚの範囲にある；
請求項１に記載の超音波プローブ素子。
【請求項３】
前記基板がガラスエポキシ系材料で形成される；
請求項１又は請求項２に記載の超音波プローブ素子。
【請求項４】
前記シグナル電極が銅を主成分とする金属又は合金で形成される；
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の超音波プローブ素子。
【請求項５】
前記第１のフィルムがフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体で形成され、
前記第２のフィルムがポリフッ化ビニリデンで形成される；
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の超音波プローブ素子。
【請求項６】
電圧印加により超音波を発振する高分子圧電材料からなる第１のフィルムと、前記第１のフィルムに電圧を付与するためにアレイ状に配置された複数のシグナル電極と、グランド電極と、前記第１のフィルム、前記複数のシグナル電極、前記グランド電極を搭載する弾性的に屈曲可能な基板とを備える；
超音波プローブ素子。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の超音波プローブ素子と当該超音波プローブ素子の前記基板に外力を付与するリニアアクチュエータとを備え；
前記外力により円弧状に屈曲された基板の円弧の曲率を少なくとも０〜２００ｍ−１の一部の範囲で可変にできる；
超音波探査装置。
【請求項８】
外力により弾性的に屈曲可能な基板の一方の面に導電性に優れた第１の導電体を形成するシグナル電極層形成工程と；
前記シグナル電極層形成工程で形成された前記第１の導電体をパターニング及びエッチングすることにより前記基板にアレイ状に配置されたシグナル電極を形成するシグナル電極形成工程と；
前記シグナル電極形成工程で形成されたアレイ状に配置されたシグナル電極を搭載した基板と電圧印加により超音波を発振可能な高分子圧電材料からなる第１のフィルムを第１の接着剤で接着して、前記基板に前記第１のフィルムを固着する第１の接着工程と；
前記第１のフィルムにスパッタリングにより付着力が強い第２の導電体と導電性に優れた第３の導電体を積層形成する第１のグランド電極形成工程と；
前記第１のフィルムに共振可能な第２のフィルムにスパッタリングにより付着力が強い第４の導電体と導電性に優れた第５の導電体を積層形成する第２のグランド電極形成工程と；
前記第１のグランド電極形成工程で形成された第３の導電体と前記第２のグランド電極形成工程で形成された第５の導電体を第２の接着剤で接着して、前記第１のフィルムと前記第２のフィルムで前記第２ないし第５の導電体からなるグランド電極を挟んだ圧電共振体を形成する第２の接着工程とを備え；
前記基板に圧電振動素子がアレイ状に搭載された超音波プローブ素子を製造する；
超音波プローブ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波プローブ素子に関する。詳しくは、曲面形状を有する検査対象物を超音波で非破壊検査するための高分子圧電素子を用いた超音波プローブ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来は、超音波探査装置として圧電振動素子をアレイ状に配列したアレイ圧電振動素子が知られており、精度の良い超音波探傷や管厚測定を可能にしている。圧電振動素子には主としてセラミック圧電体が使用されていた。このため、検査対象物の表面が曲面形状を有する場合には、曲面に合わせて配列したアレイ圧電振動素子を製作する必要があり、直径の異なる複数種類の鋼管を探査するには、鋼管の直径毎に対応する曲率のアレイ圧電振動素子に交換して探査する必要があった。
【０００３】
これに対し、アレイ圧電振動素子に柔軟性を有する高分子圧電体を用い、これを検査対象物の表面形状に沿うように変形させて配置することで曲面形状を有する検査対象物への適用を可能とし、鋼管の直径に拘らず使用可能な超音波探査装置が提案されている。（例えば特許文献１参照）
【特許文献１】特開２００７−１９２６４９号公報（段落００１２〜００５０、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記高分子圧電体を用いたアレイ圧電振動素子は、高分子圧電体としてポリイミドフィルム等の屈曲性の良いフィルムを使用していた。ところで、超音波探査の際にはアレイ圧電振動素子を鋼管の円周方向に屈曲密着させる必要がある。しかし、圧電振動素子に柔軟性が高く屈曲性の良い高分子圧電体を用い、電極に剛性が高い金属を用いると、電極がある部分とない部分の素子剛性が大きく異なり、電極がない部分で素子が折れ曲がり、鋼管円周部に素子が密着しないため、超音波を鋼管内に有効に伝達できないという問題があった。他方、超音波探査装置と検査対象物の間に伝播材を介在させて超音波探査を行なうと、すなわち、超音波プローブ素子を構成する高分子圧電体と検査対象物としての鋼管との間に５ｍｍ程度の隙間をあけ、そこに伝播材として水等の液体を封入すると、音響インピーダンスの整合がとれ、超音波の伝播損失を微小にできる。しかし、かかる水等の液体を伝播材として用いる超音波探査を行なうには液体中でアレイ圧電振動素子の曲面形状を垂線が検査対象物の表面に略直角になるように保持する必要があり、その実現が困難であった。
【０００５】
ところで、アレイ圧電振動素子を搭載する基板に弾性的な屈曲性を有するガラスエポキシ等の材料、又は薄い板バネ様の材料を用い、電極に銅のような比較的柔らかい金属を用いれば、アレイ圧電振動素子を鋼管等の検査対象物の外形に沿って屈曲密着させることができると考えられる。また、係る基板にリニアアクチュエータのような外力付与手段を用いれば、伝播材としての液体中にアレイ圧電振動素子を検査対象物の外形に沿って一定の間隔を保つように変形させ、屈曲したまま保持することが可能と考えられる。
【０００６】
本発明は、検査対象物の外形に沿って変形可能な、アレイ圧電振動素子を用いた超音波プローブ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る超音波プローブ素子１は、例えば図１に示すように、電圧印加により超音波を発振する高分子圧電材料からなる第１のフィルム１５と、第１のフィルム１５に共振する第２のフィルム１９と、第１のフィルム１５にアレイ状に配置され、第１のフィルム１５に電圧を印加して超音波を発振させ、検査対象物２から反射された超音波を受信するための複数のシグナル電極１３と、第１のフィルム１５と第２のフィルム１９に挟まれたグランド電極１６，１８と、第１のフィルム１５、第２のフィルム１９、複数のシグナル電極１３及びグランド電極１６，１８を搭載し、外力により弾性的に屈曲可能な基板１１とを備え、シグナル電極１３毎に、当該シグナル電極１３で画成された領域の第１のフィルム１５、第２のフィルム１９、グランド電極１６，１８及び当該シグナル電極１３を含んで圧電振動素子１２が構成され、基板１１に圧電振動素子１２がアレイ状に搭載されている。
【０００８】
ここにおいて、アレイは鋼管等の外周に沿って一様に屈曲させる上でリニアアレイが好ましいが、必ずしもリニアアレイに限られず、二次元アレイでも良い。また、第１、第２のフィルムは使用する超音波の周波数（例えば１〜５０ＭＨｚ）に相当するパルス電圧又はバースト波形状の電圧印加により発振、共振するものであれば良い。第１、第２のフィルムには異なる組成を用いても良く、同じ組成を用いても良い。また、グランド電極は１層からなるものに限られず、絶縁体を挟み複数層から構成されていても良い。また、弾性的に屈曲可能とは外力の大きさに応じて屈曲し、外力を除去した時に元の形状に戻ることをいう。また、基板の屈曲は、典型的には鋼管の外周に沿って円弧状に屈曲するものであるが、これに限られず検査対象物の外形に応じて任意の形状に屈曲しても良い。また、シグナル電極１３で画成された領域とは、基板１１面を水平にし、その上にシグナル電極１３を配置した時に、当該シグナル電極１３上に位置する第１のフィルム１５、第２のフィルム１９、グランド電極１６，１８等の部分をいう。
【０００９】
このように構成すると、外力により弾性的に屈曲可能な基板を使用するので、検査対象物の外形に沿って変形可能な、アレイ圧電振動素子を用いた超音波プローブ素子を提供できる。ここで、変形可能とは、例えば検査対象物としての鋼管の外形に沿って、超音波プローブ素子を検査対象物に対して密着屈曲可能なこと又は一定の間隔を保って保持可能なことをいう。また、一つの超音波プローブ素子で、例えば曲率半径の異なる複数種類の鋼管等の検査に適用可能である。また、リニアアクチュエータ等の外力付与手段を用いれば液体中でも検査対象物の外形に沿って適当な形状に保持できるので、伝播材として液体を用いる超音波探査が可能となる。
【００１０】
本発明の第２の態様に係る超音波プローブ素子は、例えば図１に示すように、第１の態様において、各圧電振動素子１２は第１のフィルム１５、第２のフィルム１９及びグランド電極１６，１８を含む圧電共振体２０を有し、圧電共振体２０の共振周波数ｆ０が１〜５０ＭＨｚの範囲にある。
このように構成すると、グランド電極は、第１のフィルムと第２のフィルムに挟まれているので、超音波プローブの表面に露出しないため、検査対象物との電気絶縁性が確保でき好ましい。また、第２のフィルムの膜厚に応じて共振周波数を調整可能である。また、第１のフィルムと第２のフィルムにそれぞれグランド電極を付着し、貼りあわせて圧電共振体を形成できるので、グランド電極を二重化でき、一方が途中で切断されていても静電結合により安定動作が担保される。
【００１１】
本発明の第３の態様に係る超音波プローブ素子１は、例えば図１に示すように、第１又は第２の態様において、基板１１がガラスエポキシ系材料で形成される。
このように構成すると、ガラスエポキシ系材料の使用により、外力により検査対象物の外形に応じて弾性的に屈曲可能な基板を実現するのに好適である。
【００１２】
本発明の第４の態様に係る超音波プローブ素子１は、例えば図１に示すように、第１ないし第３のいずれかの態様において、シグナル電極１３が銅を主成分とする金属又は合金で形成される。
このように構成すると、シグナル電極は導電性が高くかつ比較的柔らかい金属又は合金なので、基板に追随して屈曲する。
【００１３】
本発明の第５の態様に係る超音波プローブ素子１は、例えば図１に示すように、第１ないし第４のいずれかの態様において、第１のフィルム１５がフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体で形成され、第２のフィルム１９がポリフッ化ビニリデンで形成される。
このように構成すると、フッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体は電気機械結合係数が高く、弾性常数が高いので第１のフィルムとして好適であり、ポリフッ化ビニリデンはフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体と音響インピーダンスがほぼ等しいため、第２のフィルムとして好適である。これらを使用すると、効率良く超音波を発振し、受信感度の高い圧電振動素子を提供できる。
【００１４】
本発明の第６の態様に係る超音波プローブ素子は、電圧印加により超音波を発振する高分子圧電材料からなる第１のフィルム１５と、第１のフィルム１５に電圧を付与するためにアレイ状に配置された複数のシグナル電極１３と、グランド電極１６と、第１のフィルム１５、複数のシグナル電極１３、グランド電極１６を搭載する弾性的に屈曲可能な基板１１とを備える。
このように構成すると、外力により弾性的に屈曲可能な基板を使用するので、検査対象物の外形に沿って変形可能な、アレイ圧電振動素子を用いた超音波プローブ素子を提供できる。
【００１５】
本発明の第７の態様に係る超音波探査装置１０は、例えば図３に示すように、第１ないし第６のいずれかの態様の超音波プローブ素子１と当該超音波プローブ素子１の基板１１に外力を付与するリニアアクチュエータ５とを備え、外力により円弧状に屈曲された基板１１の円弧の曲率を少なくとも０〜２００ｍ−１の一部の範囲で可変にできる。
【００１６】
ここにおいて、曲率０は平面を意味し、曲率２００ｍ−１は半径５ｍｍに相当する。また、曲率は１つの超音波プローブ素子で０〜２００ｍ−１の全範囲をカバーするという意味ではなく、少なくとも一部の範囲内で可変であれば良いという意味である。また、基板の複数の部位に外力を付与する場合には、例えば複数のリニアアクチュエータを使用できる。この場合、複数のリニアアクチュエータは治具等により相互に連結されて、検査期間中は基板の屈曲形状を検査対象物に対して一定の間隔を保って保持できるようにされている。このように構成すると、本発明による超音波プローブ素子とリニアアクチュエータとを組み合わせて、検査対象物の外形に沿って変形可能な、アレイ圧電振動素子を用いた超音波探査装置を提供できる。また、伝播材として液体を用いた超音波探査が可能となる。
【００１７】
本発明の第８の態様に係る超音波プローブ素子の製造方法は、例えば図５に示すように、外力により弾性的に屈曲可能な基板１１の一方の面に導電性に優れた第１の導電体を形成するシグナル電極層形成工程（Ｓ００１）と、シグナル電極層形成工程（Ｓ００１）で形成された第１の導電体をパターニング及びエッチングすることにより基板１１にアレイ状に配置されたシグナル電極１３を形成するシグナル電極形成工程（Ｓ００２）と、シグナル電極形成工程（Ｓ００２）で形成されたアレイ状に配置されたシグナル電極１３を搭載した基板１１と電圧印加により超音波を発振可能な高分子圧電材料からなる第１のフィルム１５を第１の接着剤１４で接着して、基板１１に第１のフィルム１５を固着する第１の接着工程（Ｓ００３）と、第１のフィルム１５にスパッタリングにより付着力が強い第２の導電体１６ａと導電性に優れた第３の導電体１６ｂを積層形成する第１のグランド電極形成工程（Ｓ００４）と、第１のフィルム１５に共振可能な第２のフィルム１９にスパッタリングにより付着力が強い第４の導電体１８ａと導電性に優れた第５の導電体１８ｂを積層形成する第２のグランド電極形成工程（Ｓ００５）と、第１のグランド電極形成工程（Ｓ００４）で形成された第３の導電体１６ｂと第２のグランド電極形成工程（Ｓ００５）で形成された第５の導電体１８ｂを第２の接着剤１７で接着して、第１のフィルム１５と第２のフィルム１９で第２ないし第５の導電体１６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８ｂからなるグランド電極１６，１８を挟んだ圧電共振体２０を形成する第２の接着工程（Ｓ００６）とを備え、基板１１に圧電振動素子１２がアレイ状に搭載された超音波プローブ素子１を製造する。
【００１８】
ここにおいて、工程の順序は変更可能である。例えば、Ｓ００４とＳ００５とはどちらを先に行なっても良く、同時に行なっても良い。また、第２の導電体と第４の導電体を同じ導電体とし、第３の導電体と第５の導電体を同じ導電体としても良い。また、第１の導電体〜第５の導電体は金属又は合金であっても良い。このように構成すると、検査対象物の外形に沿って変形可能な、アレイ圧電振動素子を用いた超音波プローブ素子の製造方法を提供できる。また、電圧印加により超音波を発振する高分子圧電材料からなる第１のフィルムと第１のフィルムに共振する第２のフィルムでグランド電極を挟んだ圧電共振体を有する超音波プローブ素子を容易に製造できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、検査対象物の外形に沿って変形可能な、アレイ圧電振動素子を用いた超音波プローブ素子を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
【００２１】
［第１の実施の形態］
第１の実施の形態では、基板に圧電振動素子がリニアアレイ状に搭載されている超音波プローブ素子をリニアアクチュエータで屈曲し、伝播材として水を用い、検査対象物である鋼管の欠陥を探査する例を説明する。
【００２２】
図１は第１の実施の形態による超音波プローブ素子１の構成例を示す断面図である。図１において、基板１１は略長方形の平板状であり、弾性的に屈曲可能である。すなわち、外力により検査対象物２（図３参照）としての鋼管の外径に沿って円弧状に屈曲し、外力を除去すると元の形状（平板状）に回復するのに適当な剛性及び屈曲性を有している。基板１１として典型的にはガラスエポキシ系材料を使用できるが、ステンレス製又は燐青銅製薄板バネを絶縁性樹脂で被覆したコンポジット材を使用しても良い。基板１１にはリニアアレイ状に圧電振動素子１２（図１中、点線の内側の部分）が搭載されている。圧電振動素子１２は基板１１の長辺方向の中央ラインに沿って等間隔に同一サイズのものが複数個配置されている（図２参照、ここで圧電振動素子１２はシグナル電極１３と同じ位置にある）。圧電振動素子１２はシグナル電極１３、第１の接着剤１４、高分子圧電材料からなる第１のフィルム１５、第１のグランド電極層１６、第２の接着剤１７、第２のグランド電極層１８、第１のフィルム１５に共振する第２のフィルム１９がこの順に積層されて構成される。このうち、シグナル電極１３は圧電振動素子１２毎に個別に形成され、シグナル電極１３の無い部分は第１の接着剤１４で埋められる。第１のフィルム１５、第１のグランド電極層１６、第２の接着剤１７、第２のグランド電極層１８、第２のフィルム１９は全ての圧電振動素子１２に亘って連続して形成される。検査対象物２としての鋼管には、シームレス鋼管（継目無鋼管）、スパイラル方式の大径溶接鋼管、電気抵抗溶接鋼管、鍛接鋼管等が含まれる。
【００２３】
第１のフィルム１５は電圧印加により超音波を発振可能な高分子圧電材料からなるフィルムで、例えばフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体、フッ化ビニリデン重合体を使用できる。フッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体は電気機械結合係数が高く、弾性常数が高いので第１のフィルムとして好適である。また、第２のフィルムは第１のフィルムの発振に合わせて共振するフィルムで、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド、ポリイミドアミド、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエチレン（ＰＥ）を使用できる。ポリフッ化ビニリデンは音響インピーダンスが第１のフィルムとほぼ同じであり、第２のフィルムとして好適である。また、第１の接着剤１４、第１のフィルム１５、第２の接着剤１７、第２のフィルム１９は絶縁体である。第１の接着剤１４及び第２の接着剤１７には例えば常温硬化性又は熱硬化性のエポキシ系樹脂、ポリエステル系樹脂、アクリル系粘着剤を使用できる。
【００２４】
図２は第１の実施の形態による超音波プローブ素子１の電極及び配線の構成例を示す平面図である。図２はシグナル電極１３及びシグナル電極１３への配線２１を示すものである。略正方形の複数のシグナル電極１３が同一サイズで略長方形の基板１１の長辺方向の中央ラインに沿ってリニアアレイ状に等間隔に配置されている。シグナル電極の個数、寸法及び間隔は測定対象物に応じて任意に設計できるが、例えばシグナル電極数１６、面積５ｍｍ角、厚さ０．０７〜０．１ｍｍ、電極間の間隔０．１〜０．５ｍｍである。各シグナル電極１３からの配線２１は短辺方向の中央ラインの近傍まで延びて、その先端にはピン穴２２がシグナル電極１３の両側で各２列に整列されている。ピン穴２２には図示しないピンが挿入され、各ピンはそれぞれ独立に図示しないリード線を介して電源及び信号処理系に電気的に接続される。シグナル電極１３及び配線２１は例えば銅製とし、基板１１上に銅箔を接着し、フォトリソグラフィー及びエッチングによりパターニングされる。銅のエッチングには例えば塩化第二鉄（ＦｅＣｌ３）水溶液を使用できる。銅は導電性が高くかつ比較的柔らかい金属なので基板１１に追随して屈曲する。第１の接着剤１４は例えば常温硬化性又は熱硬化性のエポキシ系樹脂とし、シグナル電極１３及び配線２１を搭載する基板１１に第１のフィルム１５を接着する。シグナル電極１３及び配線２１の間は第１の接着剤１４で埋められる。このように、シグナル電極１３は、同一寸法の電極がリニアアレイ状に配列されるので、検査対象物２の表面に沿って一定の範囲を線状に探査できる超音波プローブ素子１を提供できる。また、基板の中央近傍にピン穴２２が配列されているので、電源及び信号処理系からのリード線を束ねて配線し、ピンに接続できる。なお、ピン穴に直接リード線の端子を挿し込む構成にすることも、配線を短くして各シグナル電極の傍にピン穴を設けることも可能である。
【００２５】
ここで、図１に戻る。各圧電振動素子１２は各シグナル電極１３と当該シグナル電極１３で画成された領域の（すなわち、基板１１が水平に置かれている場合には、当該シグナル電極１３の直上にある）第１の接着剤１４、第１のフィルム１５、第１のグランド電極１６、第２の接着剤１７、第２のグランド電極１８及び第２のフィルム１９により構成され、このうち、シグナル電極１３を除いた部位により圧電共振体２０が構成されている。そして、圧電共振体２０の厚さ（共振器長）で共振周波数が定まる。共振周波数ｆ０は、圧電体中の音速をｖ、共振器長をｌ０とすると、例えばλ／４共振モード（λは波長）の場合は、ｆ０＝ｖ／４ｌ０と表される。共振周波数ｆ０＝７．５ＭＨｚを得るには、圧電体中の音速を２３００ｍ／ｓｅｃとして、共振器長ｌ０＝７８μｍとなる。超音波探査には、共振周波数ｆ０＝１〜５０ＭＨｚ、共振器長ｌ０＝約１０〜５００μｍが好ましい。
【００２６】
各シグナル電極１３はそれぞれ図示しない電源に接続され、それぞれ、個別のタイミング（周波数）で個別の電圧を印加できるようになっている。例えば１６個のシグナル電極に一括して電圧を印加し、検査対象物の１６箇所を一括探査しても良く、１６個のシグナル電極にタイミングをずらして順次電圧を印加し、１６箇所を順次探査しても良く、隣接するシグナル電極を１０個まとめて電圧を印加し、順次シグナル電極を１極ずつずらして７回に分けて探査しても良い。第１のグランド電極１６及び第２のグランド電極１８は共に接地されている。第１のグランド電極１６は第１のフィルム１５上に付着性の良いニッケルと導電性に優れた金をスパッタリングにより積層して形成する。第２のグランド電極１８は第２のフィルム１９上に同様に付着性の良いニッケルと導電性に優れた金をスパッタリングにより積層して形成する。その後、第１のグランド電極１６と第２のグランド電極１８を第２の接着剤１７で接着する。第１のグランド電極１６と第２のグランド電極１８とは共に接地されるが、さらに第２の接着剤１７を介して静電結合される。これにより、もしも、第１のグランド電極１６又は第２のグランド電極１８の一方が途中で断線していても、静電結合を介してグランド電位に保持される。例えば、ｆ０＝７．５ＭＨｚ近傍の場合の一例として、第１のグランド電極１６及び第２のグランド電極１８は共に０．１μｍ、第１のフィルム１５は５０〜５５μｍ、第２のフィルム１９は２５〜３０μｍとする。第２のフィルム１９は共振器長の調整に使用される。
【００２７】
図３に本実施の形態による超音波プローブ素子１に屈曲を付与する例を示す。超音波プローブ素子１は基板１１上に圧電振動素子１２をリニアアレイ状に搭載しており（図１、図２参照）、外力により弾性的に屈曲する。図３では検査対象物２として鋼管を用いる例を示す。鋼管２の探査面２ａは曲率半径ｒの円筒状になっている。本実施の形態では、超音波探査に水浸法が用いられ、検査対象物２としての鋼管と超音波プローブ素子１の間には約５ｍｍの間隔を保って伝播材３としての水を介在させる。超音波プローブ素子１は伝播材３を介して鋼管２の探査面２ａに沿って円弧状に屈曲されて設置される。伝播材３として水等の液体を使用でき、水はフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体の音響インピーダンスに良く整合し、また、取り扱い易いので好適である。伝播材３の層厚をΔｒとすると、超音波プローブ素子１の曲率半径はＲ＝ｒ＋Δｒとなる。超音波プローブ素子１の両面を弾性的に屈曲する鋼板又はプラスチック板４ａ、４ｂで挟み、リニアアクチュエータ５で鋼板又はプラスチック板４ａ、４ｂを介して超音波プローブ素子１を挟み、曲率半径Ｒの円弧状に変形させる。超音波プローブ素子１及び鋼板又はプラスチック板４ａ、４ｂにはリニアアクチュエータ５を通すための孔が開けられ、リニアアクチュエータ５は固定部６で孔の両側から超音波プローブ素子１及び鋼板又はプラスチック板４ａ、４ｂを挟んで固定する。なお、鋼板又はプラスチック板４ａ、４ｂは超音波プローブ素子１を保護するために使用されるが、使用しなくても良い。リニアアクチュエータ５は圧電振動素子１２の配列方向に沿って所定間隔で配置されている。通常は圧電振動素子１２の配列方向中心付近を固定し、両側の２点又は４点を固定し、リニアアクチュエータ５の位置を軸方向（図の上下方向）に移動調整することで、曲率半径Ｒに合わせた曲面を実現できる。図３は５個のリニアアクチュエータ５を用いる例を示す。鋼管２側の鋼板又はプラスチック板４ｂには圧電振動素子１２からの超音波を送信し、鋼管２から反射された超音波を受信するために窓（図示しない）が設けられている。また、鋼管２と反対側の鋼板又はプラスチック板４ａにはシグナル電極１３に連なるピンを引き出すために窓（図示しない）が設けられている。
【００２８】
圧電振動素子１２からの超音波は基板１１に対して垂直方向の振動モードで発振され、垂直方向に出力され、伝播材３を介して鋼管２の探査面２ａに垂直に入射し、鋼管２の内部の傷等の欠陥又は鋼管の管厚を探査する。超音波は傷が有れば傷により反射され、傷が無ければ鋼管２の裏面から反射される。反射された超音波は圧電振動素子１２に入射され、シグナル電極１３により検出される。傷までの距離は超音波の発振から反射波を検出するまでの時間から導かれる。リニアアクチュエータ５を除去すると、超音波プローブ素子１の形状が元に戻る。
【００２９】
図４に本実施の形態による超音波プローブ素子１を超音波探査装置１０として使用する場合の装置構成例を示す。なお、図面の複雑化を避けるためにリニアアクチュエータ５は省略した。各圧電振動素子１２に、駆動素子選択部３１が電気的に接続されており、駆動素子選択部３１に、信号発生部３０で発生させた超音波発生用信号が入力される。駆動素子選択部３１は、スイッチング回路等により構成され、所望の圧電振動素子１２に対し信号（パルス電圧又はバースト波形状の電圧）を加えて超音波発振をさせることができる。また、圧電振動素子１２では、受信した超音波信号が信号検出回路３２に出力され、信号検出回路３２には、駆動素子選択部３１からの出力信号が圧電振動素子１２からの発振信号と共に入力されている。これにより動作している圧電振動素子１２の確定及び出力同期がなされる。信号検出回路３２で検出された信号は信号処理部３３に出力され、信号処理部３３において増幅部３３ａで増幅された後、Ａ／Ｄ変換部３３ｂでデジタル変換される。信号処理部３３には、表示部３４が接続されており、表示部３４では、信号処理部３３で得られた信号に基いて画像を表示することができる。また、信号処理部３３には、各リニアアクチュエータ５の電気モータ等を個別に制御可能な制御部３５が接続されている。各圧電振動素子１２で受信した信号が信号処理部３３で信号処理された後、制御部３５に出力される。制御部３５では、中央処理ユニットＣＰＵとこれを動作させるプログラムを主として構成され、受信した超音波信号に基いて、各圧電振動素子１２と検査対象物２の探査面２ａの距離を算出できる。制御部３５では、算出結果に基いて、各圧電振動素子１２と検査対象物２の探査面２ａの距離を調整するように各リニアアクチュエータ５の伸縮制御を行なう。この結果、超音波プローブ素子１は位置が調整され、探査面２ａの曲率（曲率半径ｒ）に合わせて屈曲（曲率半径R）される。なお、個々の圧電振動素子１２と探査面２ａとは平行であることが好ましいが、平行の程度は２度以内であれば、検査対象物２に対して略垂直に超音波を入射できるので探査結果への影響を無視できる。すなわち、超音波プローブ素子１は曲率Ｒの円弧状に屈曲されるのが理想的であるが、測定誤差が微小な範囲で略円弧状に屈曲されても良い。
【００３０】
図５に本実施の形態による超音波プローブ素子１の製造方法の処理フロー例を示す。本実施の形態では、基板１１にシグナル電極１３を、第１、第２のフィルム１５，１９にそれぞれ第１、第２のグランド電極層１６，１８を形成し、これらを接着剤１４，１７で接着して超音波プローブ素子１を製造する例を示す。例えば、外力により弾性的に屈曲可能な基板１１としてのガラスエポキシ基板を準備し、ガラスエポキシ基板１１の一方の面に導電性に優れた第１の導電体としての銅Ｃｕを形成する（Ｓ００１：シグナル電極層形成工程）。銅Ｃｕの形成は、例えば基板１１上に銅箔を接着することにより行なう。次に、シグナル電極層形成工程で形成された銅Ｃｕをフォト処理でパターニングし、例えば、塩化第二鉄（ＦｅＣｌ３）水溶液でエッチングすることによりガラスエポキシ基板１１にアレイ状に配置されたシグナル電極１３を形成する（Ｓ００２：シグナル電極形成工程）。次に、シグナル電極形成工程（Ｓ００２）で形成された複数のシグナル電極１３を搭載した基板１１と、電圧印加により超音波を発振可能な高分子圧電材料からなる第１のフィルム１５としてのフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）を、第１の接着剤１４としての常温硬化性又は熱硬化性のエポキシ系樹脂で接着して、基板１１に第１のフィルム１５を固着する（Ｓ００３：第１の接着工程）。次に、第１のフィルム１５としてのフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）にスパッタリングにより付着力が強い第２の導電体１６ａとしてのニッケルＮｉと導電性に優れた第３の導電体１６ｂとしての金Ａｕを積層形成する（Ｓ００４：第１のグランド電極形成工程）。第２の導電体１６ａと第３の導電体１６ｂにより第１のグランド電極１６が構成される。また、第１のフィルム１５に共振可能な第２のフィルム１９としてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）にスパッタリングにより付着力が強い第４の導電体１８ａとしてのニッケルＮｉと導電性に優れた第５の導電体１８ｂとしての金Ａｕを積層形成する（Ｓ００５：第２のグランド電極形成工程）。第４の導電体１８ａと第５の導電体１８ｂにより第２のグランド電極１８が構成される。ここで、第１のグランド電極形成工程（Ｓ００４）、第２のグランド電極形成工程（Ｓ００５）は順序を入れ替えても良く、並行して行なっても良い。
【００３１】
次に、第１のグランド電極形成工程（Ｓ００４）で形成された第３の導電体（Ａｕ）１６ｂと第２のグランド電極形成工程（Ｓ００５）で形成された第５の導電体（Ａｕ）１８ｂを第２の接着剤１７としての常温硬化性又は熱硬化性のエポキシ系樹脂で接着して、第１のフィルム１５としてのフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）と第２のフィルム１９としてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）で第２ないし第５の導電体（Ｎｉ及びＡｕ）からなるグランド電極（第１のグランド電極層１６、第２のグランド電極層１８からなり、間に第２の接着剤１７を挟んでいる）を挟んだ圧電共振体２０を形成する（Ｓ００６：第２の接着工程）。なお、圧電共振体２０は、第１の接着剤１４、第１のフィルム１５、第１のグランド電極層１６、第２の接着剤１７、第２のグランド電極層１８、第２のフィルム１９で構成される。これにより、基板１１に圧電振動素子１２（シグナル電極１３及び圧電共振体２０からなる）がアレイ状に搭載された超音波プローブ素子１が製造される。
【００３２】
以上説明したように、本実施の形態によれば、検査対象物の外形に沿って変形可能な、アレイ圧電振動素子を用いた超音波プローブ素子を提供できる。なお、本実施の形態では主として鋼管の欠陥を探査する例を説明したが、鋼管の管厚を測定することも可能である。
【００３３】
［第２の実施の形態］
第１の実施の形態では、伝播材３として水を用い、検査対象物２である鋼管の欠陥を探査する例を説明したが、本実施の形態では、超音波プローブ素子１を鋼管２の外周に沿って変形させ、屈曲した状態で密着配置し、検査対象物２である鋼管の欠陥を探査する例を説明する。
【００３４】
図６に本実施の形態による超音波プローブ素子１に屈曲を付与する例を示す。図３と同じ部位には同一の符号を付して説明を省略する。図示しない載置台上の検査対象物２としての鋼管に超音波プローブ素子１の基板１１側を接触させ、押さえ治具２３を用いて超音波プローブ素子１に外力を付与し、鋼管２の探査面２ａに添って変形させ、屈曲した状態で密着配置させる。鋼板又はプラスチック板４ａ，４ｂの両方又は一方を超音波プローブ素子１を保護するために使用しても良いが、使用しなくても良い。圧電振動素子１２からの超音波は基板１１に対して垂直方向に発振され、鋼管２の探査面２ａに垂直に入射し、鋼管２の内部の傷等の欠陥の有無又は鋼管の管厚を探査する。反射された超音波は圧電振動素子１２に入射され、シグナル電極１３により検出される。その他の構成は第１の実施の形態と同様であり、第１の実施の形態と同様に検査対象物の外形に沿って変形可能な、アレイ圧電振動素子を用いた超音波プローブ素子を提供できる。
【００３５】
［第３の実施の形態］
図７に本実施の形態による超音波プローブ素子のシグナル電極１３ａの配列の例を示す。第１の実施の形態では、シグナル電極数１６、面積５ｍｍ角、厚さ０．０７〜０．１ｍｍ、電極間の間隔０．１〜０．５ｍｍである例を説明した。これらの寸法は検査対象物に合わせて任意に設計できるが、本実施の形態では、例えば電極数３２、面積１．４ｍｍ×３ｍｍ、厚さ０．０７〜０．１ｍｍ、電極間の間隔０．１ｍｍである。例えば３２個のシグナル電極に一括して電圧を印加し、検査対象物の３２箇所を一括探査しても良く、３２個のシグナル電極にタイミングをずらして順次電圧を印加し、３２箇所を順次探査しても良く、隣接するシグナル電極を１０個まとめて電圧を印加し、順次シグナル電極を１極ずつずらして２３回に分けて探査しても良い。これにより、第１の実施の形態に比してより詳細な傷等の探査ができる。その他の構成は第１の実施の形態と同様であり、同様の効果を奏する。なお、シグナル電極数６４、面積０．７×３ｍｍ、厚さ０．０７〜０．１ｍｍ、電極間の間隔０．１ｍｍとして、さらにより詳細な傷等の探査ができるようにしても良い。
【００３６】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態に種々変更を加えられることは明白である。
【００３７】
例えば、以上の実施の形態では、圧電振動素子をリニアアレイ状に配列する例を説明したが、二次元アレイ状に配列してもよく、同心円状に配列しても良い。また、以上の実施の形態では、第１のフィルムにはフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体を、第２のフィルムにはポリフッ化ビニリデンを用いる例を説明したが、第１のフィルムにフッ化ビニリデン重合体等の高分子圧電材料からなるフィルムを、第３のフィルムにポリエチレンテレフタレート等のフィルムを使用しても良い。また、第１の導電体として銅を用いる例を説明したが、その他の導電性が高くかつ比較的柔らかいアルミニウムを主成分とする金属や合金等を使用しても良い。また、第２の導電体〜第５の導電体の材料、シグナル電極の個数、寸法、基板の材料等も検査対象物に応じて適宜変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、曲面形状を有する検査対象物を超音波で非破壊検査するために利用される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】第１の実施の形態による超音波プローブ素子の構成例を示す断面図である。
【図２】第１の実施の形態による超音波プローブ素子の電極及び配線の構成例を示す平面図である。
【図３】第１の実施の形態による超音波プローブ素子に屈曲を付与する例を示す図である。
【図４】第１の実施の形態による超音波プローブ素子を超音波探査装置として使用する場合の装置構成例を示す図である。
【図５】第１の実施の形態による超音波プローブ素子の製造方法の処理フロー例を示す図である。
【図６】第２の実施の形態による超音波プローブ素子に屈曲を付与する例を示す図である。
【図７】第３の実施の形態による超音波プローブ素子のシグナル電極の配列の例を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  超音波プローブ素子
２    検査対象物
２ａ  探査面
３    伝播材
４ａ，４ｂ  鋼板又はプラスチック板
５    リニアアクチュエータ
６    固定部
１０  超音波探査装置
１１  基板
１２  圧電振動素子
１３，１３ａ  シグナル電極
１４  第１の接着剤
１５  第１のフィルム
１６  第１のグランド電極層
１６ａ  第２の導電体
１６ｂ  第３の導電体
１７  第２の接着剤
１８  第２のグランド電極層
１８ａ  第４の導電体
１８ｂ  第５の導電体
１９  第２のフィルム
２０  圧電共振体
２１  配線
２２  ピン穴
２３  押さえ治具
３０  信号発生部
３１  駆動素子選択部
３２  信号検出回路
３３  信号処理部
３３ａ  増幅部
３３ｂ  Ａ／Ｄ変換部
３４  表示部
３５  制御部
ｆ０  共振周波数
ｌ０  共振器長
Ｒ    超音波プローブ素子の曲率半径
ｒ    鋼管の曲率半径
ｖ    圧電体中の音速
Δｒ  伝播材の層厚
【図１】
2010050796.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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